技术知识库 数字视频矩阵（作者：礼攀）

安防全新概念－数字视频矩阵

摘要：本文介绍了视频矩阵的基本概念和分类，对数字视频矩阵相对于模拟视频矩阵的优势做了重点分析了，并详细描述了基于DS4002MD矩阵解码卡的数字视频矩阵解码方案。
关键字：视频矩阵 数字视频矩阵 DVR DS4002MD矩阵解码卡
随着数字技术的高速发展，软硬件水平的提高，不断有高性能的DSP和高速的总线得到应用，使基于数字技术的视频矩阵方案能够得以实现。海康威视近期将在板卡产品线上推出一款新的型号：DS4002MD，即矩阵解码卡，并基于这款产品，海康威视提出数字视频矩阵的解决方案。同时，我们海康威视认为，数字视频矩阵将是安防业中新兴的一个热点，也将是视频矩阵以后的一个发展趋势。
一、视频矩阵的基本概念
1．视频矩阵的基本功能和要求
作为视频矩阵，最重要的一个功能就是实现对输入视频图像的切换输出。准确概括那就是：将视频图像从任意一个输入通道切换到任意一个输出通道显示。一般来讲,一个M×N矩阵：表示它可以同时支持M路图像输入和N路图像输出。这里需要强调的是必须要做到任意，即任意的一个输入和任意的一个输出。
另外，一个矩阵系统通常还应该包括以下基本功能：字符信号叠加；解码器接口以控制云台和摄像机；报警器接口；控制主机，以及音频控制箱、报警接口箱、控制键盘等附件。对国内用户来说，字符叠加应为全中文，以方便不懂英文的操作人员使用，矩阵系统还需要支持级联，来实现更高的容量，为了适应不同用户对矩阵系统容量的要求，矩阵系统应该支持模块化和即插即用（PnP）的，可以通过增加或减少视频输入、输出卡来实现不同容量的组合。
矩阵系统的发展方向是多功能、大容量、可联网以及可进行远程切换。一般而言矩阵系统的容量达到64×16即为大容量矩阵。如果需要更大容量的矩阵系统，也可以通过多台矩阵系统级联来实现。矩阵容量越大，所需技术水平越高，设计实现难度也越大。
2．视频矩阵的分类
按实现视频切换的不同方式，视频矩阵分为模拟矩阵和数字矩阵。
 模拟矩阵：
视频切换在模拟视频层完成。信号切换主要是采用单片机或更复杂的芯片控制模拟开关实现。
 数字矩阵
视频切换在数字视频层完成，这个过程可以是同步的也可以是异步的。数字矩阵的核心是对数字视频的处理，需要在视频输入端增加AD转换，将模拟信号变为数字信号，在视频输出端增加DA转换，将数字信号转换为模拟信号输出。视频切换的核心部分由模拟矩阵的模拟开关，变将成了对数字视频的处理和传输。

二、数字视频矩阵简介
1．数字视频矩阵的分类
根据数字视频矩阵的实现方式不同，数字视频矩阵可以分为总线型和包交换型。
总线型数字视频矩阵
顾名思义，总线型数字矩阵就是数据的传输和切换是通过一条共用的总线来实现的，例如PCI总线。
总线型矩阵中最常见的就是PC－DVR和嵌入式DVR。对于PC－DVR来说，它的视频输出是VGA，通过PC显卡来完成图像显示，通常只有1路输出（1块显卡），2路输出的情况（2块显卡）已经很少；嵌入式DVR一般的视频输出是监视器，一些新的嵌入式DVR也可以支持VGA显示。在上面的两个例子中，它们都可以实现1路视频输出（还可以进行画面分割），可以把这两款产品当作视频矩阵的一个特例，也就是一个只有1路视频输出的特殊情况。

 

                     PC－DVR（PC＋H卡、HC卡）构成的总线型数字矩阵

包交换型数字视频矩阵
包交换型矩阵是通过包交换的方式(通常是IP包)实现图像数据的传输和切换。包交换型矩阵目前已经比较普及，比如已经广泛应用的远程监控中心，即在本地录像端把图像压缩，然后把压缩的码流通过网络（可以是高速的专网、internet、局域网等）发送到远端，在远端解码后，显示在大屏幕上。包交换型数字矩阵目前有两个比较大的局限性：延时大、图像质量差。由于要通过网络传输，因此不可避免的会带来延时，同时为了减少对带宽的占用，往往都需要在发送端对图像进行压缩，然后在接收端实行解压缩，经过有损压缩过的图像很难保证较好的图像质量，同时编、解码过程还会增大延时。所以目前包交换型矩阵还无法适用于对实时性和图像质量要求比较高的场合。

 

                              包交换型数字矩阵

三、数字视频矩阵优势分析
成本优势：视频矩阵和DVR合二为一
采用数字视频矩阵方案，只需一台设备就可以同时实现视频矩阵和DVR的功能，大大的节省了成本。对矩阵的控制和DVR的控制集成在一起，方便灵活。如果采用模拟矩阵，至少需要一台矩阵主机和一台DVR主机，安装调试复杂，除了DVR的成本外，还要为模拟矩阵付出高额的成本。此外，对于模拟矩阵的控制，可能还需要外接其他设备，比如显示设备、矩阵控制器，矩阵控制键盘等，有些复杂的功能甚至需要专门的PC机来进行配置。模拟矩阵的方案还需要视频信号的分配、复用设备来实现DVR的录像功能，而采用数字矩阵，则只需在DVR的基础之上，增加简单的矩阵模块即可，成本相对低廉，且数字矩阵、录像系统的集成度高，稳定性增强，也降低了以后维护的成本。
功能优势：配置灵活，功能强大，简单易用
在模拟矩阵＋DVR方案中，矩阵和DVR各自为政，需要分别控制，模拟矩阵提供的操作方式复杂，易操作性很差，且功能单一，如果要实现比较复杂的功能，需要很繁琐的操作流程；而采用数字矩阵，通过一个控制平台即可实现对切换矩阵和DVR的同时控制，操作界面可由二次开发商在Windows或Linux下自由开发，可以根据自己客户的需求定制应用程序，定制各种功能，所构建的系统，完全取决于开发商自己的软件。
在数字矩阵中，基于对图像的数字处理：可以在实现视频切换的同时，对图像进行很多处理，比如叠加字符、叠加图像，区域遮盖等，这些都是目前DVR所普遍具有的功能，但是对于模拟矩阵，由于它的核心是基于模拟信号的处理，在面对这些功能时，则显得力不从心。这里以字符叠加功能为例，模拟矩阵往往需要外接字符叠加芯片来实现，通常只能实现ASCII码也就是英文字符的叠加，而能够实现汉字叠加的模拟则可以说是寥寥无几，更不用说同时支持简体、繁体，甚至日文了。至于图像叠加等功能，在模拟信号层基本是无法实现的。
数字矩阵可以提供更丰富的图像显示模式。传统的模拟矩阵只能进行最简单的1:1的图像输出；而数字矩阵在此基础上还可以实现N→1(通过对图像的缩放处理，可以实现多路图像在一个窗口显示)和1→N(一个输入图像同时在多个输出端显示)的显示方式，甚至是画中画等高级功能。
最后是系统稳定性，数字矩阵＋DVR的方案，系统集成度高、功耗低，稳定性高；而采用模拟矩阵方案，由于需要多台设备，出问题的概率则大大增加。
潜力：发展空间巨大
模拟矩阵控制系统目前已经非常成熟，其产品的结构和功能在近几年，甚至是十几年内，都没有发生大的变化，可挖掘的潜力已经十分有限。
而数字矩阵则完全不同，目前数字技术的发展可以用日新月异、前途广阔来形容。首先，随着硬件性能的提高，在高速总线方面：66M的PCI总线已经很成熟和普及，比如PCI－E或其它的高速串行总线也不断的提出；在芯片技术上：已经出现了600M、720M甚至是1GHz的高性能DSP，可以说，得益于硬件平台性能的不断提高，必然使数字矩阵的功能不断的提升，不断的向高端发展。与此同时，软件的进步同样不可忽略，不断有新图像的压缩、处理算法提出，图像压缩的效率不断提高，也不断有更复杂、更智能的图像处理算法得到应用，比如智能的移动检测、智能识别技术（人脸识别，指纹识别、车牌识别、签名识别）目前都已经有了比较成熟的应用，这些更高层次的图像处理技术，利用目前硬件平台，已经可以应用到我们的数字视频系统中。因此随着软、硬件水平的的飞速提高，我们有理由相信，数字矩阵的发展空间会非常广，无论是在性能上还是在功能上必然会全面超过模拟矩阵。
二次开发简单、便捷
和以前的H卡和D卡分别使用各自的SDK不同，新的SDK将同时支持H卡、HC卡和MD卡。只需通过一个SDK即可以同时实现编码、解码、和矩阵控制，新的SDK中编码、解码部分和原有SDK中的编码、解码部分兼容，用户只需增加矩阵控制部分即可，极大的降低了用户进行二次开发的复杂性。同时：H卡、HC卡和MD卡可以混插，便于对现有的工程进行维护和扩展。
四、海康威视的数字视频矩阵解决方案
我们的数字视频矩阵解决方案是基于海康威视已经推出的HC系列压缩卡和即将发布的MD系列矩阵解码卡来实现的。HC卡负责系统的录像、预览、网络传输功能，这部分的应用已经十分成熟。而MD卡是实现视频矩阵的关键，MD卡在实现原有解码卡的全部功能外，增加了矩阵输出，实现了视频矩阵功能；同时MD卡也可以独立于HC卡，只做硬件解码卡使用，通过网络连接到远端的视频服务器，即可以是海康威视的板卡也可以是嵌入式设备，构成网络视频矩阵，这一点和原有解码卡相同，但新的MD卡在功能上和D卡比较，会有很大的扩充，比如，解码路数大大提高，原有D卡1个DSP只能解1路，现在则至少可以解4路。同时具备多窗口画面分割功能，用户可以对解码图像做任意组合输出。新增加的同步功能，可以在各路解码器之间实现同步。
1．DS4002MD卡主要参数
操作系统支持Windows2000/XP,及Linux。
作为矩阵使用：
每块卡支持2路矩阵输出，可稳定支持4路。
配合HC卡使用，可实现64×4的视频矩阵，同时保证64路实时压缩。
作为解码使用：
解码功能和原有解码卡完全兼容。
每块卡支持4路解码（实时解码4路CIF、4路2CIF或2路4CIF），2路模拟输出，最高可支持64路解码，32路模拟输出。
2．DS4002MD典型方案
⑴组建本地视频矩阵、实时录像系统
在该系统中，由HC卡构成64路DVR系统，这和目前的板卡方案完全相同，另外增加了2块MD卡完成4路模拟输出，实现视频矩阵功能。

 

                一个64×4的数字视频矩阵＋实时录像系统

⑵组建网络矩阵
由16块DS4002MD组成网络矩阵，同时支持64路网络解码和32路模拟输出。

 

                        32路视频输出的网络监控中心

 

DVR名词解释：

 DVR即是Digital Video Recorder——数字视频录像机或数字硬盘录像机，我们习惯上称为硬盘录像机。

它是一套进行图像存储处理的计算机系统，具有对图像/语音进行长时间录像、录音、远程监视和控制的功能，DVR集合了录像机、画面分割器、云台镜头控制、报警控制、网络传输等五种功能于一身，用一台设备就能取代模拟监控系统一大堆设备的功能，而且在价格上也逐渐占有优势。

DVR采用的是数字记录技术，在图像处理、图像储存、检索、备份、以及网络传递、远程控制等方面也远远优于模拟监控设备，DVR代表了电视监控系统的发展方向，是目前市面上电视监控系统的首选产品。

市面上流行的产品有PC平台DVR和嵌入式DVR，嵌入式DVR在稳定性、可靠性、易用性等方面有“专业化”的优势，嵌入式DVR会逐步侵占PC平台DVR的市场。PC平台DVR在通用性、可扩张性方面占有优势，在网络视频监控系统中仍可负担管理主机的角色，仍然有其自身的市场份额。

由于价格、性能等原因，在国内市场上的DVR产品主要是包括台湾在内的大中华地区及韩国的产品占主导地位，大陆地区企业具有“中国制造”的优势，但在技术上几乎完全依赖国外的技术发展，没有掌握核心芯片和嵌入式主板开发的关键技术，企业的技术创新能力较差，台湾和邻国韩国在这方面强于大陆地区企业。

目前国外已有很多公司投入资金开发多路的MPEG-II、MPEG-4压缩芯片，和小波的图像压缩芯片，新型压缩芯片的出现和应用，将使数字化网络视频监控迈向新的时代。

同时随着存储设备容量的不断增大，价格不断地降低，新的存储技术的发展，摄像机的全数字、高清晰度不断完善，高画质图像标准的产品将投入市场，成为数字化网络视频监控的新宠。

另外，企业在开发新产品过程中还应该注意通过行业协会建立统一标准，使不同企业的产品能够通过网络真正实现数据共享，并且应尽可能与楼宇智能系统中其它各子系统实现无缝连接，实现楼宇系统的统一管理和控制。